Small Structures:超薄二维非层状α-MnSe纳米片MnSe/WS2异

1、研究背景:

纳米材料为电子学和光电子学的发展提供了强大的材料平台。其中二维(2D)材料具有不同于其他纳米材料的高纵横比、与众不同的表面化学性质以及特有的量子尺寸效应。2004年,英国科学家Geim 和Novoselvo等人通过对大块石墨的微机械剥离,成功得到了仅单个原子层的石墨烯纳米片,具有独特的物理性能。在随后的几年里,科学家们研究了各种衬底上二维材料的制备方法,并研究了其迷人的物理化学性质及其在电子学、光电子学领域的应用,人们对二维材料这一研究领域燃起了极大兴趣。除了常见的二维层状材料外,二维非层状材料结合了块体材料和二维材料的优越性,为设计下一代光电器件提供了广阔的机会。另外, p型二维半导体的研究种类很少,合成新的二维p型半导体,如超薄非层状α-MnSe纳米片,对研究二维p型半导体及非层状二维材料而言都是一种重要的突破。

2、文章概述:

近日,湖南大学段曦东教授报道了大面积、超薄二维非层状p型半导体α-MnSe纳米片在云母基底上的化学气相沉积(CVD)法生长。α-MnSe纳米片的厚度可低至0.9 nm(单个晶胞厚度),横向尺寸高达110 μm。使用两步CVD法成功MnSe/WS2垂直p-n结。基于α-MnSe纳米片的及MnSe/WS2垂直p-n结的光电探测器在光响应速度和光响应度等方面表现出了优异的性能。

3、图文导读:

图1 α-MnSe纳米片的合成。a.CVD法生长α-MnSe纳米片的示意图。b.α-MnSe的顶部和侧面的晶体结构图。c.云母上单层α-MnSe的原子力显微镜图像。d.典型α-MnSe纳米片的光学显微镜(OM)图像。
图2 不同载气流量下α-MnSe纳米片平均厚度的变化。a-e.不同载气流量下α-MnSe纳米片的OM图像。f.α-MnSe纳米片平均厚度与载气流量的关系曲线。
图3 α-MnSe纳米片的表征。a.α-MnSe在SiO2/Si衬底上的X射线衍射(XRD)谱图。b,c.α-MnSe纳米片中Mn元素和Se元素的X射线能谱(EDS)映射图像。d.α-MnSe的X射线能谱元素分析。e.α-MnSe纳米片的高分辨率透射电镜(HRTEM)图像。f.α-MnSe的选区电子衍射(SAED)图。g.α-MnSe和f-云母的拉曼光谱。h,i.α-MnSe纳米片的OM图和对应的拉曼强度映射图。
图4 基于α-MnSe纳米片的场效应管和光电探测器的电学及光电性能测试。a.α-MnSe场效应晶体管示意图。b.α-MnSe场效应晶体管的OM图像。c.晶体管在不同偏置电压下的传输特性曲线。d.α-MnSe光电探测器原理图。e.光电探测器在不同光功率激光照射下的Ids-Vds输出特性曲线。f.光功率密度与光电流的拟合曲线。g.不同光功率密度下的光响应度和光电探测率曲线。h.光电探测器的时间依赖性光响应曲线。i.快速扫描模式下典型的时间依赖性光响应曲线。
图5 MnSe/WS2垂直异质结p-n二极管的电输运和光电特性。a.MnSe/WS2 p-n二极管示意图。b,c.MnSe/WS2 p-n二极管在暗环境下的Ids-Vds输出特性曲线和Ids-Vgs转移特性。d.Vgs = 0 V时不同光功率照射下二极管的Ids-Vds输出特性曲线。e.光功率密度与光电流的拟合曲线。f.MnSe/WS2 p-n二极管在不同光功率激光照射下的光响应率和光电探测率曲线。

4、结论:

研究人员以MnCl2和Se为前驱体原料,采用盐辅助CVD法在f-云母衬底上制备了超薄的α-MnSe纳米片(0.9 nm)。通过调节生长参数最大得到了110 μm的α-MnSe纳米片,提高了其应用于下一代光电子学器件的潜力。使用XRD、HRTEM、SAED和拉曼等表征手段证实所得到的二维纳米片是高质量的单晶。基于α-MnSe纳米片的场效应晶体管证实该种纳米片为p型半导体。基于α-MnSe纳米片的光电探测器具有4 ms的快速光响应时间。此外,研究人员利用两步CVD法合成了MnSe/WS2垂直异质结, p型α-MnSe和n型WS2构成的p-n二极管具有优异的光电探测率(1.00×1013 Jones)、高的光响应度(49.1 A W-1)和明显的整流比(283)。α-MnSe纳米片和MnSe/WS2垂直异质结的合成丰富了二维材料和二维异质结家族,在下一代电子和光电子领域具有广阔的应用前景。

Synthesis of Ultrathin 2D Nonlayered α-MnSe Nanosheets, MnSe/WS2 Heterojunction for High-Performance Photodetectors

Zucheng Zhang, Bei Zhao, Dingyi Shen, Quanyang Tao, Bo Li, Ruixia Wu, Bailing Li, Xiangdong Yang, Jia Li, Rong Song, Hongmei Zhang, Ziwei Huang, Zhengwei Zhang, Jingyuan Zhou, Yuan Liu, Xidong Duan*

Small Structures

DOI:10.1002/sstr.202100028

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100028